ИНФОРМАТИКА

ИНФОРМАТИКА 1 курс © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 1

ИНФОРМАТИКА Оглавление • Основы информатики и вычислительной техники • История развития ЭВМ • Технические средства реализации информационных процессов • Программные средства реализации информационных процессов • Моделирование • Алгоритмизация и программирование • Локальные и глобальные сети • Защита информации в сетях © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 2

Основы информатики и вычислительной техники © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 3

ИНФОРМАТИКА Основные понятия Сигнал — изменяющийся во времени физический процесс. Сигналы могут порождать в физических телах изменения свойств (регистрация сигналов). Сигналы, зарегистрированные на материальном носителе, называются данными. Методы преобразуют данные в понятия, воспринимаемые человеческим сознанием. Информация — это продукт взаимодействия данных и адекватных методов. Сообщение — совокупность сигналов, содержащих информацию. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 4

ИНФОРМАТИКА Регистрация данных © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 5

ИНФОРМАТИКА Методы преобразования данных в информацию Радиопередача на незнакомом языке (получаем данные, но не Телевизионная трансляция получаем информацию, т. к. на незнакомом языке не владеем методом (частичное преобразования данных в данных в информацию - известные нам понятия). метод визуального восприятия). © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 6

ИНФОРМАТИКА Основные свойства информации • Объективность: независимость от личного мнения. • Адекватность: соответствие создаваемого с помощью информации образа реальному объекту, процессу, явлению. • Доступность: возможность получения информации при необходимости (доступность данных и доступность методов). • Полнота: степень достаточности данных для принятия решения или создания новых данных на основе имеющихся. • Достоверность: соответствие информации реальному объекту с необходимой точностью (уровень информационного шума в пределах нормы). • Актуальность: соответствие текущему моменту времени. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 7

ИНФОРМАТИКА Объективность информации Наиболее объективна информация, полученная посредством менее субъективных методов © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 8

ИНФОРМАТИКА Адекватность информации Неадекватная информация может образовываться при создании новой информации на основе неполных или недостоверных данных, либо в случае применения к ним неадекватных методов. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 9

ИНФОРМАТИКА Доступность информации Отсутствие доступа к данным или отсутствие адекватных методов обработки данных приводят к одинаковому результату: информация оказывается недоступной. Отсутствие адекватных методов для работы с данными во многих случаях приводит к применению неадекватных методов, в результате чего образуется неполная, неадекватная или недостоверная информация. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 10

ИНФОРМАТИКА Полнота информации Достаточность (полнота) информации означает, что ее состав минимален, но достаточен для принятия правильного решения. Как неполная, то есть недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых пользователем решений. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 11

ИНФОРМАТИКА Информационный шум При увеличении уровня шумов достоверность информации снижается. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 12

ИНФОРМАТИКА Актуальность информации С актуальностью связана коммерческая ценность информации. Достоверная и адекватная, но устаревшая информация может приводить к ошибочным решениям. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 13

ИНФОРМАТИКА Информационные процессы Поиск информации Сбор информации: деятельность субъекта по накоплению данных с целью обеспечения достаточной полноты. Хранение информации: поддержание данных в форме, готовой к выдаче их потребителю. Передача информации: процесс обмена данными между источником и приёмником информации по каналу связи. Обработка информации (процесс преобразования информации от её исходной формы до определенного результата) – получение новой информации путем вычислений и/или логических рассуждений; – преобразование представления информации из одной формы в другую без изменения содержания (кодирование и шифрование); – упорядочение (сортировка). © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 14

ИНФОРМАТИКА Системы передачи информации Передача информации – физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве. Источник Приёмник Канал связи информации Канал связи – это материальная среда, а также физический или иной процесс, посредством которого осуществляется передача сообщения, т. е. распространение сигналов в пространстве с течением времени. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 15

ИНФОРМАТИКА Примеры каналов связи Процесс передачи Канал связи Среда Носитель сообщения сообщения Почта, Среда обитания Механическое Бумага курьеры человека перемещения носителя Телефон, Перемещение компьютерные Проводник Электрический ток электрических зарядов сети Радио, Электромагнитное Электромагнитные Распространение телевидение поле волны электромагнитных волн Электромагнитное Распространение Зрение Световые волны поле световых волн Распространение Слух Воздух Звуковые волны звуковых волн Обоняние, Воздух, пища Химические вещества Химические реакции вкус Объект, Осязание Поверхность кожи воздействующий на Теплопередача, давление органы осязания © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 16

ИНФОРМАТИКА Кодирование Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, необходимо унифицировать их форму представления. Кодирование - выражение данных одного типа через данные другого типа. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 17

ИНФОРМАТИКА Двоичное кодирование Современные ЭВМ реализованы на электронных элементах (триггерах), имеющих два устойчивых состояния (включен/выключен). Эти состояния кодируются как 0 и 1. Язык ЭВМ содержит только два символа. Двоичное кодирование основано на представлении данных последовательностью 0 и 1(двоичные цифры, по английски — binary digit или, сокращенно, bit (бит). © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 18

ИНФОРМАТИКА Количество двоичных разрядов • Одним битом могут быть выражены два понятия: О или 1 (да или нет, черное или белое, истина или ложь и т. п. ). • Если количество битов увеличить до двух, то можно выразить четыре различных понятия: 00 01 10 11 • Тремя битами можно закодировать восемь различных значений: 000 001 010 011 100 101 110 111 • Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе. • Общая формула: N=2 m, где N — количество независимых кодируемых значений; m — разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 19

ИНФОРМАТИКА Кодирование текстовых данных Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать текстовую информацию. 8 бит (1 байт): восьмиразрядное двоичное число позволит закодировать 256 (28) различных символов. Каждому символу присваивается десятичный порядковый номер от 0 до 255. Каждому номеру соответствует восьмиразрядное двоичное число от 0000 до 1111. Например: А = 1000001 B = 1000010 C = 1000011 © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 20

ИНФОРМАТИКА ASCII-коды ASCII (American Standard Code for Information Interchange — стандартный код информационного обмена). В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования — базовая и расширенная. Базовая – английский алфавит, расширенная – национальный. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 21

ИНФОРМАТИКА ASCII и Unicode ASCII – система 8 -разрядного кодирования символов. ASCII: 1 символ=1 байт Недостаток ASCII – ограниченный набор кодов (256=28). Отсутствие единого стандарта приводит к множественности одновременно действующих кодировок расширенной части (коды от 127 до 255). UNICODE – система 16 -разрядного кодирования символов. UNICODE : 1 символ = 2 байта UNICODE позволяет закодировать 65536=216 различных символов. В UNICODE все текстовые документы автоматически становятся вдвое длиннее (требуется больше ресурсов вычислительной техники) © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 22

ИНФОРМАТИКА Единицы измерения информации Минимальной единицей измерения информации является бит. Бит имеет два значения « 0» или « 1» (иногда их обозначают как «нет» или «да» ). Восемь бит составляют байт (1 Байт = 8 бит) 1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт, 1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220 байт, 1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт. 1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт, 1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250 байт. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 23

ИНФОРМАТИКА Системы счисления Система счисления – это способ записи чисел с помощью специальных знаков – цифр. Числа: 123, 45678, 1010011, CXL Цифры: 0, 1, 2, … I, V, X, L, … Алфавит – это набор цифр Алфавит десятичной системы счисления: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Алфавит двоичной системы счисления: 0, 1 Алфавит восьмеричной системы счисления: 0, 1, 2 , 3, 4, 5, 6, 7 Алфавит 16 -ричной системы счисления: 0, 1, 2 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F В непозиционных системах счисления значение цифры не зависит от ее места (позиции) в записи числа, а в позиционных зависит. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 24

ИНФОРМАТИКА Непозиционные системы Унарная – одна цифра обозначает единицу (1 день, 1 камень, 1 баран, …) Римская: I – 1 (палец), V – 5 (раскрытая ладонь, 5 пальцев), X – 10 (две ладони), L – 50, C – 100 (Centum), D – 500 (Demimille), M – 1000 (Mille) © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 25

ИНФОРМАТИКА Римская система счисления • (обычно) не ставят больше трех одинаковых цифр подряд • если младшая цифра стоит слева от старшей, она вычитается из суммы Например: MDCXLIV = 1000 + 500 + 100 – 10 + 50 – 1 + 5 = 1644 2389 = 2000 + 300 + 80 + 9 MM CCC LXXX IX 2389 = M M C C C L X X X I X © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 26

ИНФОРМАТИКА Позиционные системы значение цифры определяется ее позицией в записи числа. Десятичная система Алфавит: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Основание (количество цифр): 10 сотни десятки единицы 2 1 0 разряды 3 7 8 = 3· 102 + 7· 101 + 8· 100 300 70 8 Другие позиционные системы, используемые в информатике: двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 27

ИНФОРМАТИКА Двоичная система • нужны технические устройства только с двумя устойчивыми состояниями (есть ток — нет тока, намагничен — не намагничен и т. п. ); • надежность и помехоустойчивость Готфрид Вильгельм двоичных кодов; Лейбниц (1646 – 1716 ) • выполнение операций с двоичными нем. математик, предложил числами для компьютера намного проще, двоичную систему чем с десятичными. счисления • двоичные числа имеют много разрядов; • запись числа в двоичной системе однородна, то есть содержит только нули и единицы, поэтому человеку сложно ее воспринимать. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 28

ИНФОРМАТИКА Таблица восьмеричных чисел X 10 X 8 X 2 X 10 X 8 X 2 0 000 4 100 1 001 5 101 2 010 6 110 3 011 7 111 Каждая восьмеричная цифра может быть записана как три двоичных (триада). Например: 17258 = 001 111 010 1012 { 1 7 2 5 © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 29

ИНФОРМАТИКА Шестнадцатеричная система Основание (количество цифр): 16 Алфавит: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F 10 11 12 13 14 15 Каждая шестнадцатеричная цифра может быть записана как четыре двоичных (тетрада). Например: 7 F 1 A 16 = 0111 1111 0001 10102 { { 7 { F 1 A © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 30

ИНФОРМАТИКА Таблица шестнадцатеричных чисел X 10 X 16 X 2 X 10 X 16 X 2 0 0000 8 8 1000 1 0001 9 9 1001 2 0010 A 1010 3 0011 B 1011 4 0100 12 C 1100 5 0101 13 D 1101 6 0110 14 E 1110 7 0111 15 F 1111 © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 31

ИНФОРМАТИКА 32 Логика, высказывания Логика (др. греч. λογικος) – это наука о том, как правильно рассуждать, делать выводы, доказывать утверждения. Формальная логика отвлекается от Аристотель (384 -322 до н. э. ) конкретного содержания, изучает др. -греч. философ, основатель только истинность и ложность формальной логики высказываний. Логическое высказывание – это повествовательное предложение, относительно которого можно однозначно сказать, истинно оно или ложно. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 32

ИНФОРМАТИКА 33 Что является высказыванием? Сейчас идет дождь. Жирафы летят на север. История – интересный предмет. У квадрата – 10 сторон и все разные. Красиво! Который час? © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 33

ИНФОРМАТИКА 34 Алгебра логики Логические высказывания сводятся к выражениям, близким по форме к математическим формулам. Правила булевой алгебры применимы к самым разнообразным объектам и их группам (множествам). Результатом формального расчета логического выражения является одно из двух Джордж Буль логических значений: истина (1) или ложь (0). (1815 -1864) Основные операции: И (пересечение), ИЛИ английский математик, (объединение), НЕ (обращение) и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ основатель алгебры ИЛИ лежат в основе работы всех видов логики процессоров современных компьютеров. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 34

ИНФОРМАТИКА 35 Обозначение высказываний A – Сейчас идет дождь. простые высказывания B – Форточка открыта. (элементарные) ! Любое высказывание может быть ложно (0) или истинно (1). Составные высказывания строятся из простых с помощью логических связок (операций) «и» , «или» , «не» , «если … то» , «тогда и только тогда» и др. Aи. B Сейчас идет дождь и открыта форточка. A или не B Сейчас идет дождь или форточка закрыта. если A, то B Если сейчас идет дождь, то форточка открыта. A тогда и только Дождь идет тогда и только тогда, когда B открыта форточка. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 35

ИНФОРМАТИКА 36 Операция НЕ (инверсия) Если высказывание A истинно, то «не А» ложно, и наоборот. таблица А не А истинности операции НЕ 0 1 Обозначение 1 0 отрицания: , Таблица истинности логического выражения – это таблица, где в левой части записываются все возможные комбинации значений исходных данных, а в правой – значение выражения для каждой комбинации. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 36

ИНФОРМАТИКА 37 Операция И (логическое умножение, конъюнкция) Высказывание «A и B» истинно тогда и только тогда, когда А и B истинны одновременно. Обозначение Aи. B конъюнкции: A·B, A B A B Аи. B A 0 0 B 0 1 0 220 В 1 1 конъюнкция – от лат. conjunctio — соединение © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 37

ИНФОРМАТИКА 38 Операция ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция) Высказывание «A или B» истинно тогда, когда истинно А или B, или оба вместе. Обозначение A или B дизъюнкции: A+B, A B A B А или B A B 0 0 0 1 220 В 1 0 1 1 дизъюнкция – от лат. disjunctio — разъединение © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 38

ИНФОРМАТИКА 39 Формализация Прибор имеет три датчика и может работать, если два из них исправны. Записать в виде формулы ситуацию «авария» . A – «Датчик № 1 неисправен» . B – «Датчик № 2 неисправен» . ! Формализация – это переход к записи на C – «Датчик № 3 неисправен» . Аварийный сигнал: формальном языке! X – «Неисправны два датчика» . X – «Неисправны датчики № 1 и № 2» или «Неисправны датчики № 1 и № 3» или «Неисправны датчики № 2 и № 3» . логическая формула © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 39

ИНФОРМАТИКА 40 Составление таблицы истинности A B C A∙B A∙C B∙C X 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 40

ИНФОРМАТИКА 41 Логические выражения A B A·B X Порядок вычислений: 0 0 1 1 1. скобки 0 1 0 1 2. НЕ 3. И 1 0 0 1 1 4. ИЛИ 1 1 0 0 1 Логические выражения могут быть: • тождественно истинными (всегда 1, тавтология) • тождественно ложными (всегда 0, противоречие) • вычислимыми (зависят от исходных данных) © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 41

ИНФОРМАТИКА Логические элементы Логический элемент компьютера – это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию. 1 © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 42

ИНФОРМАТИКА 43 Базовые логические элементы значок инверсии & 1 НЕ ИЛИ & 1 И-НЕ ИЛИ-НЕ Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию, но не указывает на то, какая именно электронная схема в нем реализована. Это упрощает запись и понимание сложных логических схем. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 43

ИНФОРМАТИКА 44 Составление схем 1 & 1 & 1 © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 44

ИНФОРМАТИКА 45 Триггер (англ. trigger – защёлка)– это логическая схема, способная хранить 1 бит информации (1 или 0). Строится на 2 -х элементах ИЛИ-НЕ или на 2 -х элементах И-НЕ. вспомогательный S R Q set, установка выход 0 0 запрещено 1 0 1 1 0 0 1 обратные связи 1 1 Хранение бита 1 основной выход reset, сброс © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 45

ИНФОРМАТИКА 46 Сумматор – это логическая схема, способная складывать два одноразрядных двоичных числа с переносом из предыдущего разряда. Сумматор служит центральным узлом арифметико- логического устройства (АЛУ) компьютера. Σ сумма A B C P S 0 0 0 перенос 0 0 1 0 0 1 Если требуется складывать двоичные 0 1 1 1 0 числа длиной два и более бит, то 1 0 0 0 1 можно использовать последовательное соединение таких сумматоров, причём 1 0 1 1 0 для двух соседних сумматоров выход 1 1 0 переноса одного сумматора является входом для другого. 1 1 1 © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 46

История развития ЭВМ © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 47

ИНФОРМАТИКА Первые инструменты для счёта Самым первым используемым для счета инструментом у древнего человека были пальцы рук. Первым домеханическим устройством вычисления был абак. 2000 лет до н. э. (Вавилон) 1500 лет до н. э. (Египет) V век до н. э. (Др. Греция) © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 48

ИНФОРМАТИКА Механические непрограммируемые счётные машины на зубчатых колёсах Суммирующая машина Счётное устройство Б. Паскаля, 1642 г. Леонардо да Винчи, 15 в. Антикитерский механизм Др. Греция, I в. до н. э. Калькулятор Лейбница, 1672 г. Арифмометр Однера, 20 в. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 49

ИНФОРМАТИКА Механические непрограммируемые счётные машины, основанные на таблице логарифмов Логарифмическая линейка ЛОГАРИФМИЧЕСКИЕ Уильяма Отреда, 17 в. ЛИНЕЙКИ © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 50

ИНФОРМАТИКА Механические программируемые устройства Ткацкий станок Жаккарда, 1804 г. Перфолента Перфокарты © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 51

ИНФОРМАТИКА Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа Первым программистом была англичанка Ада Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программирования Ada. Принцип разделения информации команды данные © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 52

ИНФОРМАТИКА Электромеханические машины (табуляторы) Табулятор Германа Холлерита, 1888 г. Холлерит - основатель фирмы IBM (International Business Machines), 1924 г. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 53

ИНФОРМАТИКА Принципы фон Неймана Впервые принципы вычислительной машины с автоматическим выполнением команд предложил американский ученый Джон фон Нейман (1945 г. ) данные ОЗУ управление (программа прямой доступ и данные) прямой доступ к памяти устройства процессор ввода вывода Принцип двоичного кодирования: вся информация кодируется в двоичном виде. Принцип программного управления: программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Принцип однородности памяти: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Принцип адресности: память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в любой момент времени доступна любая ячейка. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 54

ИНФОРМАТИКА Поколения ЭВМ Поколение ЭВМ – модели ЭВМ с одинаковыми технологическими и программными решениями (элементная база, логическая архитектура, программное обеспечение). Каждое поколение характеризуется скачком в росте основных характеристик компьютера в связи с переходом на новую элементную базу. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 55

ИНФОРМАТИКА Поколения ЭВМ. 1 -е поколение Вычислительные машины на электронных лампах (1945 -1955 гг. ). Первой действующей ЭВМ 1 -го поколения стал ENIAC (США, 1945 - 1946 гг. ). ENIAC - «электронно-числовой интегратор и вычислитель» . Первая отечественная ЭВМ 1 -го поколения - МЭСМ ( «малая электронно-счетная машина» ) создана в 1951 г. под руководством С. А. Лебедева © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 56

ИНФОРМАТИКА Машинный язык В качестве языка программирования в ЭВМ первого поколения использовался машинный язык – язык программирования, содержание и правила которого реализованы аппаратными средствами ЭВМ. Символами машинного языка являются двоичные цифры. Любая машинная команда состоит из кода операции и адресной части. КОП — код операции, А 1 — адрес первого операнда, А 2 — адрес второго операнда, A 3 — адрес результата. Операндами называют данные, над которыми производится операция. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 57

ИНФОРМАТИКА Поколения ЭВМ. 2 -е поколение Вычислительные машины на полупроводниках - транзисторах (1955 -1965 гг. ) Небольшие отечественные машины второго поколения ( «Наири» , «Раздан» , «Мир» и др. ) с производительностью порядка 104 оп/с. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 58

ИНФОРМАТИКА Ассемблер Язык программирования в ЭВМ второго поколения – ассемблер (от англ. assembler – сборщик) – язык программирования низкого уровня. Трансляция программы (мнемонические команды) в исполняемый машинный код производится программой- транслятором (сборщиком), которая и дала языку ассемблера его название. Например: ADD AX, BX складывает содержимое регистра BX с содержимым регистра AX, и оставляет результат в регистре AX. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 59

ИНФОРМАТИКА Поколения ЭВМ. 3 -е поколение Вычислительные машины на интегральных схемах (1965 -1980 гг. ) В США - семейство IBM 360/370. В СССР- ЕС ЭВМ(единая система крупных и средних машин), СМ ЭВМ(система малых) и «Электроника» (серия микро-ЭВМ). © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 60

ИНФОРМАТИКА Языки высокого уровня Языки программирования ЭВМ третьего поколения - процедурные языки высокого уровня (АДА, Fortran, PL-1, Basic, Pascal). Язык высокого уровня – язык программирования, ориентированный «на человека» , имитирующий естественный. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 61

ИНФОРМАТИКА Поколения ЭВМ. 4 -е поколение Вычислительные машины на сверхбольших интегральных схемах (с 1980 гг. ) Персональные компьютеры - PC XT (1983 г. ), PC AT (1984 г. ) фирмы IBM. Персональные компьютеры фирмы «Apple Computer» (Стив Возняк и Стив Джобс). Языки программирования ЭВМ четвертого поколения - объектно-ориентированные языки (Delphi, Си++ и др. ) © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 62

Технические средства реализации информационных процессов © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 63

ИНФОРМАТИКА Основные понятия • Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации • Архитектура - логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. • Поток команд - это последовательность команд, выполняемых ЭВМ (системой) • Поток данных - последовательность данных (исходная информация и промежуточные результаты решения задачи), обрабатываемых под управлением потока команд © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 64

ИНФОРМАТИКА Функциональная схема ЭВМ (предложена фон Нейманом) ОЗУ Чтобы процессор мог выполнить программу, она должна быть загружена в оперативную память (ОЗУ) АЛУ (арифметико- логическое устройство) – часть процессора, выполняющая команды В состав любого современного компьютера входят следующие группы устройств: память: хранение программ и данных процессор: заданная программой обработка данных устройства ввода-вывода (периферийные устройства): прием и передача данных между пользователем и машиной или между двумя или более машинами © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 65

ИНФОРМАТИКА Классификация ЭВМ по принципу действия (критерий классификации: форма представления информации, с которой работает компьютер) ЦВМ – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме. АВМ - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). ГВМ – вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 66

ИНФОРМАТИКА Классификация архитектур вычислительных систем Майкл Флинн профессор Стэндфордского университета, с 1955 года работал в компании IBM, где занимался вопросами организации компьютера SISD (Single Instruction Single Data) или ОКОД - один поток команд, один поток данных. SIMD (Single Instruction Stream - Multiple Data Stream) или ОКМД - один поток команд и множество потоков данных. MISD (Multiple Instruction Stream - Single Data Stream) или МКОД - множество потоков команд и один поток данных. MIMD (Multiple Instruction Stream - Multiple Data Stream) или МКМД - множество потоков команд и множество потоков данных. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 67

ИНФОРМАТИКА SISD – архитектура • Соответствует принципам фон Неймана (команды выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности). • В каждый момент времени выполняется лишь одна операция над одним элементом данных (числовым или каким-либо другим значением). • При работе в мультипрограммном режиме (совместно решаются несколько задач) происходит разделение времени и оборудования между совместно выполняемыми программами. • В каждый момент времени операционное устройство (АЛУ) занимается обработкой информации по какой- то одной команде, т. е. одновременное выполнение нескольких программ невозможно. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 68

ИНФОРМАТИКА CISC и RISC Архитектура CISC (Complex Instruction Set Computer): компьютеры имеют комплексную (полную) систему команд, под управлением которой выполняются всевозможные операции типа «память-память» , «память-регистр» , «регистр-память» , «регистр-регистр» . Большинство современных компьютеров типа IBM PC относятся к CISC архитектуре, например, компьютеры с микропроцессорами 8080, 80486, 80586 (Процессоры на основе х86 команд вплоть до Pentium 4 ). Компьютеры с RISC (Reduced Instruction Set Computer) архитектурой содержат набор простых, часто употребляемых в программах команд. Основными являются операции типа «регистр-регистр» . RISC-архитектура имеет преимущество в производительности по сравнению с CISC- компьютерами, но в программах необходимы дополнительные команды обмена регистров процессора с оперативной памятью. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 69

ИНФОРМАТИКА MISD компьютеры Процессорный конвейер Обработка данных разбивается на последовательно выполняемые этапы, каждый этап выполняется на отдельном процессоре. Одинарный поток исходных данных для решения задачи поступает на вход процессорного конвейера. Каждый процессор решает свою Пример: локальная сеть персональных часть задачи, и результаты компьютеров, работающая с единой решения в качестве исходных базой данных, когда много данных передает на вход процессоров обрабатывают один поток последующего процессора. данных. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 70

ИНФОРМАТИКА Состав вычислительной системы Аппаратная Программная конфигурация (Hardware, «железо» ) (Software, «софт» ) © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 71

ИНФОРМАТИКА Магистрально-модульный принцип © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 72

ИНФОРМАТИКА Магистраль (системная шина) представляет собой многопроводную линию для обмена информацией между процессором, оперативной памятью, устройствами ввода-вывода и хранения информации. В состав магистрали входят: • Шина данных передаёт данные между различными устройствами. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора. Может быть 8, 16, 32, 64 бита. • Шина адреса передаёт адрес устройства к которому обращается процессор. Сигналы передаются в одном направлении (однонаправленная шина). Разрядность шины адреса определяется объёмом адресуемой памяти. Может быть 16, 20, 24, 32, 36 битов. • Шина управления: передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 73

ИНФОРМАТИКА Базовая аппаратная конфигурация ПК • Системный блок • Монитор • Клавиатура • Мышь Системный блок - основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты (материнская плата, жесткий диск, видеокарта и др. ) Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые снаружи, - периферийными. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 74

ИНФОРМАТИКА Основные компоненты системного блока © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 75

ИНФОРМАТИКА Системная (материнская) плата На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти, а также разъемы (слоты) для подключения дополнительных устройств. Быстродействие различных компонентов компьютера может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты). © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 76

ИНФОРМАТИКА Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках (регистрах) данные могут не только храниться, но и изменяться. Основные характеристики процессора: рабочее напряжение, разрядность, тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует систему команд процессора. СISС-процессоры используют в универсальных вычислительных системах; RISС-процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 77

ИНФОРМАТИКА Оперативная память (ОЗУ, RAM – Random Access Memory) – это запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Эффективность работы компьютера зависит от объема ОЗУ. Модули памяти представляют собой пластины с рядами контактов, на которых размещаются БИС памяти. Модули памяти могут различаться между собой по быстродействию, информационной ёмкости и т. д. Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, когда компьютер выключается, всё, что находилось в ОЗУ, пропадает. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 78

ИНФОРМАТИКА Жёсткий диск (винчестер) основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ За счет быстрого вращения (~7200 об/мин) скорость записи и считывания информации с жесткого диска достаточно велика. В жёстких дисках используются достаточно хрупкие и миниатюрные элементы, поэтому в целях сохранения информации жёсткие диски необходимо оберегать от ударов. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 79

ИНФОРМАТИКА Лазерные дисководы Используется оптический принцип записи информации, основанный на создании на поверхности диска участков с различной отражающей способностью. В процессе считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Поверхность лазерного диска имеет участки с различными коэффициентами отражения → отраженный луч меняет интенсивность (логические 0 или 1) → отраженные световые импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические импульсы. Скорость чтения и записи измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения музыкальных компакт-дисков, составляющая в пересчете на данные 150 Кбайт/с. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 80

ИНФОРМАТИКА Видеокарта (видеоадаптер) За время существования персональных компьютеров сменилось несколько стандартов видеоадаптеров: MDA (монохромный); CGA (4 цвета); EGA (16 цветов); VGA (256 цветов). В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16, 7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640 x 480, От количества видеопамяти 800 x 600, 1024 x 768, 1152 x 864, 1280 x 1024 зависит цветовое разрешение точек и более). (глубина цвета). Большинство программ требуют не менее 65 Видеоускорение — одно из свойств тыс. цветов (режим High видеоадаптера, которое заключается в том, что Color). Наиболее комфортная часть операций по построению изображений работа достигается при глубине может происходить без выполнения математических вычислений в основном цвета 16, 7 млн. цветов (режим процессоре компьютера. True Color). © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 81

ИНФОРМАТИКА Память компьютера Основные типы памяти современного ПК: – внутрипроцессорная память; – оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); – постоянная память, или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); – дисковая память, или память на внешних носителях. Доступ к хранимым данным осуществляется по адресам, указывающим на ячейки памяти. Ячейка – минимальный адресуемый элемент памяти компьютера. В зависимости от принятой системы адресации ячейка памяти может иметь объем от 1 байта до одной из степеней двойки (16, 32, 64 и более) битов. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 82

ИНФОРМАТИКА Внутрипроцессорная память Регистровая память – имеет самый маленький объем и является самой быстрой – является неотъемлемой частью арифметико-решающего и управляющего устройств процессора – в регистры загружается команда для ее декодирования – и выполнения, а также данные для выполнения операций над ними Кэш первого и второго уровней – гораздо более быстрый вид памяти, чем вся остальная память компьютера, к которой нужно обращаться через системную шину – кэш первого уровня весьма мал размером(от 8 до 16 Кбайт), но его скорость сравнима со скоростью работы регистров – кэш второго уровня более объемистый (до 512 Кбайт) но немного – более медленный, чем кэш первого уровня – кэш-память играет важную роль в поддержании производительности процессора © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 83

ИНФОРМАТИКА Оперативная память компьютера (Random Access Меmоrу, RАМ) — это та область памяти, в которую загружаются программы и данные, откуда процессор берет инструкции для выполнения и данные для обработки. • статическая (Static Random Access Меmоrу, SRАМ) - может хранить данные без перезаписи долгое время, но не является энергонезависимой • динамическая (Dynamic Random Access Меmоrу, DRАМ) - имеет малое время хранения информации и требует постоянной циклической перезаписи (обновления) информации в своих ячейках, более дешёвая по сравнению с SRAM © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 84

ИНФОРМАТИКА Постоянная память Определение 1. записывается один раз, причем повторная запись в эту память невозможна. Определение 2. память, данные в которой не теряются после выключения компьютера. В более узком смысле этот термин применяют для обозначение микросхемы, в которую записана часть программного обеспечения, называемая BIOS Типы микросхем ВIOS: – память однократной записи (Read Only Memory, ROM) — микросхема однократно программируется на заводе и больше не подлежит перезаписи; – память с возможностью перезаписи (Ргоgrammble RОМ, РRОМ) — микросхему можно перепрограммировать ( «перепрожечь» ) при помощи специального программатора; – память с возможностью перезаписи без извлечения из компьютера (Electrically Erasable Programmable ROM, EEPROM) — микросхему можно перепрограммировать при помощи специального программного обеспечения, подавая на нее определенные команды. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 85

ИНФОРМАТИКА Дисковая память и флэш-память этих устройства имеют одно назначение — хранить данные и программы при отключении питания компьютера Дисковая память представляет собой несколько дисков из магнитного материала, запись на которые производится, как на магнитную ленту, путем намагничивания определенных зон на диске. Блок дисков вращается с очень большой скоростью. Флэш-память — это полупроводниковая микросхема, в которой нет движущихся частей. В отличие от жесткого диска во флэш-памяти нет подвижных механических частей, поэтому с механической точки зрения срок ее жизни приближается к бесконечности. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 86

ИНФОРМАТИКА Устройства ввода-вывода © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 87

Программные средства реализации информационных процессов © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 88

ИНФОРМАТИКА Уровни программного обеспечения Программное обеспечение (Soft. Ware) – это совокупность программ, выполняемых вычислительной системой (компьютером). Служебное ПО Прикладное ПО (утилиты) (приложения) Системное ПО (операционная система, драйверы) Базовое ПО (BIOS) Состав программного обеспечения вычислительной системы называется программной конфигурацией. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 89

ИНФОРМАТИКА Базовый уровень ПО К программному обеспечению базового уровня относится BIOS (Basic Input- Output System) – базовая система ввода -вывода. В функции BIOS входит автоматическое тестирование основных аппаратных компонентов (оперативной памяти и др. ) при включении компьютера и поиск загрузчика операционной системы. Базовые программные средства хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ — Read Only Memory, ROM). © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 90

ИНФОРМАТИКА Операционные системы (ОС) • Операционная система обеспечивает взаимодействие между аппаратурой компьютера, его программным обеспечением и пользователем. • При включении ОС считывается с системного диска и размещается в оперативной памяти (загрузка системы). Основные функции ОС: • Обеспечение интерфейса пользователя • Организация файловой системы • Обслуживание файловой структуры • Управление установкой, исполнением и удалением приложений • Взаимодействие с аппаратным обеспечением © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 91

ИНФОРМАТИКА Пользовательский интерфейс Графический интерфейс (Windows) Неграфический интерфейс (MS-DOS) © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 92

ИНФОРМАТИКА Файловая система ОС обеспечивает создание файловой системы, которая предназначена для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы – трехмерная таблица (поверхность, дорожка, сектор). Наименьшая физическая единица хранения данных – сектор. Размер сектора – 512 байт. Кластер – наименьшая единица адресации при обращении к данным. Размер кластера зависит от ёмкости диска. Примеры файловых систем: FAT 16, FAT 32, NTFS © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 93

ИНФОРМАТИКА Обслуживание файловой структуры Данные о местонахождении файлов представляются пользователю в виде иерархической структуры. Под управлением ОС выполняются следующие функции по обслуживанию файловой структуры: – создание файлов и присвоение им имён; – переименование файлов и каталогов (папок); – копирование и перемещение файлов; – удаление файлов и каталогов (папок); – навигация по файловой структуре; – управление атрибутами файлов. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 94

ИНФОРМАТИКА Имя файла Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается собственное имя файла вместе с путём доступа к нему. C: Мои документыПетровРисункиМоре. bmp © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 95

ИНФОРМАТИКА Управление установкой приложений Процесс установки программного обеспечения для работы в операционной системе называется инсталляцией. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 96

ИНФОРМАТИКА Драйверы устройств Драйвер – специальная программа, которая обеспечивает корректное функционирование подключаемого к компьютеру устройства. Технология “plug-and-play” (подключи и играй) позволяет автоматизировать подключение к компьютеру новых устройств. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 97

ИНФОРМАТИКА Служебное ПО (утилиты) Основное назначение служебного ПО: проверка, наладка и настройка компьютерной системы → расширение и улучшение функций системных программ. Примеры служебного ПО: – Файловые утилиты (файловые менеджеры, архиваторы и др. ); – Программы тестирования и диагностики оборудования компьютера; – Программы, обеспечивающие передачу данных между компьютерами сети; – Программы, реализующие функции защиты информации и борьбы с компьютерными злоупотреблениями (средства шифрования и ограничения доступа к данным; средства защиты локальных сетей от доступа извне (firewall); средства антивирусной защиты). © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 98

ИНФОРМАТИКА Архивация данных – организация хранения данных в удобной и легкодоступной форме; служит для снижения экономических затрат и повышения надежности хранения и передачи данных. Архивация (сжатие) данных осуществляется, в первую очередь, для быстрой передачи данных по сети Интернет и компактного хранения данных на диске. Основные функции архиваторов: 1. защита архивных файлов от просмотра и несанкционированной модификации 2. создание самораспаковывающихся архивов © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 99

ИНФОРМАТИКА Антивирусные средства Для обнаружения, удаления и защиты от компьютерных вирусов разработано несколько видов специальных программ, которые позволяют обнаруживать и уничтожать вирусы. Такие программы называются антивирусными. Различают следующие виды антивирусных программ: — программы-детекторы; — программы-доктора, или фаги; — программы-ревизоры; — программы-фильтры; — программы-вакцины, или иммунизаторы. © Шишлина Наталья Васильевна, 2012 -2013 100